飞机装配工装复合材料结构设计技术

关键词：装配工装；复合材料；材料性能

近年来，随着飞机产品制造精度和装配质量要求的不断提升，飞机制造企业需要实现更高精度的产品装配，装配工装是飞机装配的基础，提高装配工装定位精度是实现产品高精度装配的重要保障。

1装配工装材料研究

传统的装配工装主要由Q235钢材、2A12铝材、6061铝材等金属材料制作，金属材料具有加工性好，拉伸模量较高的优点，所制造的固定工装在恒定温度下具有稳定的尺寸精度。随着飞机产品大量应用复合材料，零件的外形精度和尺寸精度要求也不断提高，传统工装所使用的金属材料和产品使用的复合材料存在的热膨胀线性系数差异，使得工装结构在不同温度下与产品结构产生变形量差异，影响产品的定位精度。同时，随着飞机装配技术的不断发展，新的生产线装配方案要求装配工装在生产过程中需要转站移动，传统工装框架所采用的Q235钢材密度大，工装总重量大，移动难度大，且移动过程安全性差。为了解决上诉问题，研究使用复合材料作为装配工装主体材料具有现实意义。目前，鲜见全复合材料装配工装的应用，但有资料显示，国外机床设备厂家已经较普遍的采用复合材料大跨度横梁结构解决金属材料横梁缺点。丹麦DENCAM公司制造风机叶片模具加工用大跨度设备横梁（见图1）采用复合材料圆管搭建成的桁架结构，该结构能够有效降低横梁总重量，允许选用更小功率的电机实现横梁的运动，同时，降低横梁运动惯性。 复合材料碳纤维圆管作为复合材料设备横梁主要基础材料，主要原因是机器加工的碳纤维圆管具有更低的树脂含量，力学性能优异，成型过程非人工铺贴，质量更稳定，成本相对更低。但是，由碳纤维圆管组成的横梁结构截面尺寸大，通常高度和宽度达到长度的1/4，而飞机装配工装的结构较多地考虑产品和操作人员操作空间，以碳纤维圆管构成的桁架结构做框架，通常难以满足较小的空间尺寸要求，并且单纯的碳纤维圆管桁架结构对可设计性限制较大，定位器与其连接结构复杂。装配工装的结构特点决定复合材料设计过程需要考虑在原有金属结构基础上做材料的替换。

2材料性能分析

本文重点对设计性更强的预浸料做材料性能分析，以材料性能为关注点，在此分析基础上，实际应用过程对复合材料使用量较大的结构，考虑制造工艺和制造成本，可以采用机器拉挤成型的基材，减少人工铺贴工作量，降低制造难度和成本。传统工装主体框架通常采用Q235钢材或者2A12铝材，其优点在于成本低廉，拉伸模量较高，加工性好，但密度和热膨胀线性系数都较高。随着结构膨胀特性的影响不断被重视，近年来，部分复合材料工装模具将INVAR合金应用到结构型面上，但因价格高昂，加上力学性能和物理性能无优势，仅在一定范围内使用。分析是否工程化生产和成本等因素，选定T系列预浸料和某型玻璃纤维预浸料与常用金属材料Q235钢材和2A12铝材做力学性能和物理性能比较，材料各项数值见表1。（1）拉伸模量对比分析。拉伸模量是材料受力后抵抗弹性变形的力学性能，其数值高低影响结构承载后变形量，大部分装配工装结构都需要考虑承载后的变形量大小，材料拉伸模量是影响装配工装结构稳定性的重要参数。通过力学性能比，某型玻璃纤维预浸料拉伸模量54Gpa低于Q235钢材，为2A12铝材的75%，不适合作为装配工装的主体材料；T300预浸料、T700预浸料、T800预浸料的拉伸模量相近，主要力学性能提升为拉伸强度，从成本考虑仅分析T300预浸料。T300预浸料的拉伸模量130Gpa介于Q235钢材和2A12铝材之间，为Q235钢材的62%，可以作为装配工装结构主体材料，但对现有装配工装做Q235钢材的复合材料替换设计时，相同截面尺寸需要考虑加大结构壁厚。（2）拉伸强度对比分析。拉伸强度是材料抵抗断裂和过度变形的力学性能，其数值高低反映结构能承载的最大拉伸应力[1]。T300预浸料和某型玻璃纤维预浸料拉伸强度普遍大幅高于Q235钢材和2A12铝材。对于装配工装设计结构通常承载仅为飞机产品，受力较小，远不至于产生断裂和过度变形，传统Q235钢材和2A12铝材构成的结构能够满足性能要求，T300预浸料和某型玻璃纤维预浸料亦能满足，当然，设计时，需要考虑纤维方向。（3）密度和热膨胀线性系数对比分析。通过对比，T300预浸料和某型玻璃纤维预浸料的密度低于Q235钢材和2A12铝材，采用复合材料构成的装配工装结构通常能够起到良好的减重功能。T300预浸料的热膨胀线性系数大幅低于Q235钢材和2A12铝材，具有良好的热稳定性，某型玻璃纤维预浸料的热稳定性优势不显著。

3结语

复合材料中以纤维增强材料应用最广、用量最大。其具有高比强度、高比模量、优良的化学稳定性、优越的抗震动衰减性能、耐疲劳性、热稳定性等性能，近年来，广泛地应用于航空航天、交通运输、风力发电、体育用品和管道等领域。随着航空制造业更高效率、更高质量的追求，复合材料产品更加成熟，成本呈降低趋势，开展复合材料装配工装设计技术研究，拓展复合材料在飞机装配过程的应用，有利于解决目前传统材料工装结构存在的技术难题。

参考文献：

[1]阿兰•贝克，斯图尔特•达特恩，唐纳德•凯利.飞机结构复合材料技术，航空工业出版社，2015.

[2]刘春匀.实用飞机复合材料结构设计与制造[M].航空工业出版社，2010.

作者：耿育科 单位：航空工业西安飞机工业（集团）有限责任公司制造工程部